变温养护下混凝土孔结构对抗冻性能及力学性能的影响研究

董阳涛，孟　磊，兰　岚，张亚昆，张明强(中铁二十一局集团路桥工程有限公司，陕西西安　710000)



变温养护下混凝土孔结构对抗冻性能及力学性能的影响研究

董阳涛，孟磊，兰岚，张亚昆，张明强
(中铁二十一局集团路桥工程有限公司，陕西西安710000)

摘要:当养护条件为在－20～10，－10～10，0～10℃区间内温度每24 h按正弦曲线变化及标准养护时，对混凝土的孔结构、抗冻性能及力学性能进行测试，探讨了混凝土孔结构与抗冻性能、力学性能之间的关系。结果表明:随着变温养护下最低温度的增长，混凝土的气泡平均弦长、气孔间距系数、比表面积、孔隙率及胶空比呈规律变化，混凝土的抗冻性能增强，混凝土的立方体抗压强度增加，但均小于标准养护下混凝土的抗冻耐久性及抗压强度。

关键词:混凝土变温养护孔结构抗冻性能力学性能

在冬季，西北及东北大部分地区浇筑混凝土时温度较低，且昼夜温差较大，容易导致混凝土的开裂及剥落，大大缩短了混凝土的使用寿命，因此对混凝土开展冻融破坏机理及抗冻耐久性的研究显得尤为重要［1］。赵宵龙等［2］通过冻融循环试验，采用光学显微镜测孔法和压汞法测试混凝土的孔结构，研究不同耐久性的混凝土其抗冻性能与孔结构的关系，并研究了冻融过程中混凝土性能劣化与其孔结构变化的关系;张粉芹等［3］通过压汞法、快速冻融法、美国电量法、干湿循环腐蚀法等试验分析了不同类型C30混凝土孔结构与性能的关系;李建新等［4］从水泥砂浆入手，通过对不同含气量水泥砂浆的孔结构试验与抗冻性能试验，得到水泥砂浆孔结构与抗冻耐久性之间的变化规律;李盛等［5］利用弹性力学理论，基于热力学平衡原理，对水饱和状态下封闭孔隙在结冰压力作用下的孔壁应力进行了力学计算分析，结果表明，在相同结冰压力作用下由于球形孔隙较圆柱形孔隙受力更为均匀，其孔壁拉应力明显小于圆柱形孔隙，有利于抗冻;段安等［6］以热力学和孔隙弹性力学为基础，在已有数值模型的基础上，发展建立了一套混凝土冻融过程的控制方程，并应用有限元软件Comsol Multiphysics对4个模型进行了模拟，预测出饱和砂浆试件受冻过程中的变形、孔隙压力及温度分布，实现了混凝土冻融过程的数值模拟;肖前慧等［7］主要测定了粉煤灰引气混凝土在不同冻融循环次数下的质量损失、动弹性模量和抗压强度，研究了其在冻融循环后的性能，并对试验结果进行了分析，为冻融环境下混凝土水胶比、粉煤灰掺量和引气剂掺量的选择提出了合理建议。

以上研究主要针对恒温养护条件下混凝土的抗冻性能及力学性能，几乎没有涉及变温养护条件下混凝土的性能。本文通过对不同变温养护条件下混凝土的孔结构、抗冻性能及力学性能的研究，探讨了变温养护条件下混凝土孔结构对抗冻性能及力学性能的影响规律。

1　试验

1.1原材料及配合比

混凝土由水、水泥、矿物掺合料、砂、石组成。水为符合国家标准的饮用水;水泥为P.O42.5普通硅酸盐低碱水泥，满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的要求;细骨料为细度模数2.15、含泥量1.23%的砂;粗骨料为颗粒级配5～31.5 mm的碎石，压碎指标5.21% ;矿物掺合料按m粉煤灰∶m矿粉= 1∶1配合而成，粉煤灰烧失量2.78%，需水量比81.8%，SO3质量分数1.28%，比表面积483 m2/kg;矿粉烧失量0.179%，碱质量分数0.329%，SO3质量分数1.95%，比表面积488 m2/kg，满足《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736—2002)的要求;减水剂为北京建筑工程研究院生产的AN4000聚羧酸减水剂;引气剂为液体SJ-2型引气剂，满足《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 500119—2003)的要求。混凝土配合比如表1所示。

表1　混凝土的配合比

混凝土水胶比为0.42，胶砂比为0.44，新拌混凝土的坍落度＞180 mm，扩展度＞480 mm，含气量为3.2%，流动性好。新拌混凝土黏聚力较好，没有分层和离析现象，保水性也较好。

1.2试验方法

1.2.1测定含气量方法

含气量根据《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T 50080—2002)要求的方法，采用SANYO直读式精密混凝土测定仪测定含气量。

1.2.2养护方法

养护条件为在－20～10，－10～10，0～10℃区间内温度每24 h成正弦曲线变化及标准养护。新拌混凝土配好后，一部分按上述变温养护条件放入大气模拟箱内带模养护，5 d后脱模，脱模后再次放入大气模拟箱进行变温养护;另一部分先放入20℃的标准养护室，1 d后脱模再次放入标准养护室内养护。养护龄期分别为7，14，28 d。

1.2.3孔结构测试方法

将养护28 d的100 mm×100 mm×100 mm立方体试件切割成10～20 mm厚的试件，经打磨、喷涂荧光剂后，放入试验仪器中测试。在测试软件中，输入混凝土测试范围、水胶比等参数，并用模板标定尺寸后，由硬化混凝土气孔结构分析仪自动采集数据［8］。孔结构的测试结果如表2所示。

1.2.4抗冻性能测试方法

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)的试验方法及检测标准，制作100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，养护24 d后在水中浸泡4 d，采用快速冻融法，试件每隔25次循环用动弹仪测定动弹性模量，检测依据为相对动弹性模量≥60%或者质量损失率≤5%［9-10］。

2　试验结果及数据分析

2.1孔结构试验分析

2.1.1变温养护对混凝土气孔平均弦长的影响

由表2可知，混凝土在标准养护条件下，气孔平均弦长为0.067 6 mm;养护方式按－20～10，－10～10，0～10℃区间内温度每24 h成正弦曲线变化时，混凝土的气孔平均弦长分别为0.149 0，0.115 0，0.083 4 mm。当养护最高温度均为10℃，最低温度从－20℃过渡到0℃时，气孔平均弦长随着最低温度的升高而减小，但是均大于标养下气孔平均弦长，主要原因是随着温度升高，水泥水化反应速度加快，更多的水化产物填充原有孔隙，使得气体孔径减小。

2.1.2变温养护对混凝土气孔间距系数的影响

Powers等［11］给出的气孔间距系数的定义为水泥石中的任一气泡和相邻任一气泡球面之间的最大距离。由表2可知，当养护最高温度均为10℃，最低温度从－20℃过渡到0℃，随着最低温度的升高，混凝土的气孔间距系数减小，但是均大于标养下混凝土的气孔间距系数，可见水泥水化速度直接影响混凝土的孔结构。

表2　混凝土的孔结构测试结果

2.1.3变温养护对混凝土比表面积的的影响

由表2可知，在变温养护条件下，随着最低温度的升高，混凝土的比表面积从30.01 mm－1增大至41.27 mm－1，可知混凝土的比表面积随着最低温度的升高而增大，但均小于在标养下混凝土的比表面积。

2.1.4变温养护对硬化后混凝土孔隙率的影响

4种养护方式下新拌混凝土的含气量都为3.2%，而经过28 d不同养护方式后，由表2可知，硬化后混凝土的孔隙率分别为13.1%，10.2%，8.9%，7.6%，相比新拌混凝土的含气量分别增加了9.9%，7.0%，5.7%，4.4%。说明在养护过程中混凝土内部水分蒸发所造成的孔隙增大量远大于水泥水化产物填充孔隙所导致的减小量;并且随着不同养护方式最低温度的升高，硬化后混凝土孔隙率的变化幅度减小。

2.1.5变温养护对胶空比的影响

由表2可得，养护28 d时不同养护方式下混凝土的胶空比不同，－20～10℃养护条件下混凝土的胶空比最小，标准养护条件下混凝土的胶空比最大，由此可得出在标准养护条件下混凝土的胶空比最优，28 d之内温度变化越大，混凝土的胶空比越小。

2.2抗冻性能试验分析

在相同水胶比下，混凝土分别在－20～10，－10～10，0～10，20℃养护条件下进行75次、125次、175次及300次的冻融循环，然后测试其28 d时的相对动弹性模量及质量损失率，如表3所示。以不同养护方式下冻融循环75次为例，混凝土的相对动弹性模量依次为63.42%，94.35%，98.43%，99.53%，混凝土的质量损失率依次为2.19%，1.04%，0.43%，0.24%。由此可知，在冻融循环次数相同情况下，随着各养护方式最低温度的升高，混凝土的相对动弹性模量和质量损失率分别增大和减小，即混凝土抗冻耐久性增强。这主要是因为最低温度升高时，水泥水化反应速度加快，使得混凝土的孔结构发生改变，孔隙内部结构得到改善;尤其是气孔间距系数的减小，使得混凝土受冻后孔隙水结冰产生压力时，水从毛细管经过没有冰冻的孔扩散外逸至自由空间时所经历的时间与所受的阻力减小，从而能及时缓解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，因此混凝土抗冻耐久性水平得以提高［4］。

表3　混凝土冻融试验试件的相对动弹性模量及质量损失率　%

2.3力学性能特性分析

不同养护方式下混凝土的实际抗压强度如图1所示。由图1可知，以养护环境－10～10℃为例，混凝土在7，14，28 d龄期时，混凝土的立方体抗压强度分别为13.2，21.8，28.9 MPa，随着龄期的增长，混凝土的抗压强度增加。再以龄期14 d为例，混凝土分别在－20～10，－10～10，0～10，20℃养护条件下，混凝土的立方体抗压强度分别为17.9，21.8，28.8，33.5 MPa，可见随着最低温度的增长，混凝土的立方体抗压强度增加，但均小于标养下混凝土的立方体抗压强度。原因是温度影响了水泥水化速度，造成混凝土的孔结构变化，以至于混凝土承载力截面发生变化，从而强度发生变化。

图1　混凝土的实际抗压强度

参照最薄弱断面上材料的平均应力公式［1］，由表2中混凝土的孔结构数据及图1中混凝土的实际抗压强度，可计算出不同养护方式下28 d时的混凝土的理论计算抗压强度(见图2)分别为25.2，29.8，35.1，46.4 MPa。由于理论计算抗压强度考虑混凝土的最薄弱的断面，即断面小于实际混凝土的表面积，因此混凝土的理论计算抗压强度均大于实际抗压强度。

图2　28 d时的混凝土理论计算抗压强度

3　结论

1)不同变温养护方式对混凝土的孔结构即混凝土的气孔平均弦长、气孔间距系数、比表面积、孔隙率及胶空比产生不同影响。

2)不同变温养护方式下，随着各养护方式最低温度的增长，混凝土的相对动弹性模量和质量损失率分别增大和减小，即混凝土的抗冻耐久性增强。

3)不同变温养护方式下，随着各养护方式最低温度的增长，混凝土的立方体抗压强度增加，但均小于标养下混凝土的立方体抗压强度;混凝土的理论计算抗压强度均大于实际抗压强度。

参考文献

［1］张凯，王起才，王庆石，等.含气量对低温养护下混凝土早期实际强度及抗冻性能的影响研究［J］.硅酸盐通报，2015，34(3):677-683.

［2］赵宵龙，卫军，黄玉盈.混凝土冻融耐久性劣化与孔结构变化的关系［J］.武汉理工大学学报，2002，24(12):14-17.

［3］张粉芹，王海波，王起才.掺合料和引气剂对混凝土孔结构与性能影响的研究［J］.水力发电学报，2010，29(1):180-185.

［4］李建新，王起才，李盛，等.含气量对水泥砂浆抗冻耐久性的影响［J］.硅酸盐通报，2014，33(7):1781-1787.

［5］李盛，李建新，王起才，等.水泥砂浆封闭孔隙冻胀破坏问题的力学分析［J］.公路交通科技，2015，32(4):83-89.

［6］段安，钱稼茹.混凝土冻融过程数值模拟与分析［J］.清华大学学报(自然科学版)，2009，49(9):1441-1445.

［7］肖前慧，牛荻涛，朱文凭.粉煤灰引气混凝土冻融循环后性能的试验研究［J］.武汉理工大学学报，2010，32(7):35-38.

［8］张凯，王起才，王庆石，等.含气量对低温养护下混凝土孔结构的研究［J］.混凝土，2015(4):49-52.

［9］王庆石，王起才，张凯，等.不同含气量混凝土的孔结构及抗冻性分析［J］.硅酸盐通报，2015，34(1):30-35.

［10］曹秀丽，曹志翔，喻骁.冻融循环对混凝土质量损失及相对动弹模量影响的试验研究［J］.铁道建筑，2013(3):125-127.

［11］POWERS T C，HELMUTH R A.Theory of Volume Changes in Hardened Portland-cement Paste During Freezing［C］.Highway Research Board Proceedings，1953，32:285-297.

(责任审编周彦彦)

Influence of Concrete Pore Structure on Anti-frost Characteristics and Mechanical Performance under Varying Temperature Curing

DONG Yangtao，MENG Lei，LAN Lan，ZHANG Yakun，ZHANG Mingqiang

(China Railway 21st Bureau Group Road＆Bridge Engineering Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710000，China)

Abstract:T he pore structure，anti-frost characteristics and mechanical performance of concrete were tested under the curing condition where temperature changed per 24 h according to the sine curve in the range of－20～10℃，－10 ～10℃and 0～10℃and under the standard curing condition respectively，and the relationships among the pore structure，anti-frost characteristics and mechanical performance of concrete were discussed.T he experiment results show that average bubble chord length，bubble pore spacing coefficient，specific surface area，porosity and rubber air ratio of concrete have a regular change with the growth of minimum temperature under the varying temperature curing，the anti-frost characteristics and cube compressive strength of concrete enhance，both of which are less than frost durability and compressive strength of concrete under standard curing condition.

Key words:Concrete;Varying temperature curing;Pore structure;Anti-frost characteristics;M echanical performance

作者简介:董阳涛(1983—)，男，工程师，硕士。

收稿日期:2015-10-11;修回日期:2015-12-19

文章编号:1003-1995(2016)03-0157-04

中图分类号:TU528.1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.37